永磁辅助磁阻发电机建压过程及短路故障运行

为解决传统永磁发电机短路故障时灭磁困难和开关磁阻类发电机电压波形差的难题,提出一种永磁辅助同步磁阻发电系统(PMSynRG)。建立该电机的数学模型,阐述其发电运行机理,并推导出带载时的稳态电压方程和三相短路时绕组交直轴短路动态电流方程。针对发电机带载时的自激建压过程进行数值仿真计算,得出自激建压曲线,验证发电机系统的建压能力。此外,针对三相短路故障进行数值仿真计算,验证了故障时三相电流小于额定电流的结论,同时还验证了三相短路时动态电流方程的正确性,证明了发电机系统具有较强的自我保护能力。最后,制作样机并完成了带载建压实验,实验结果与数值分析结果吻合度较高。

软磁材料性能因子在高速电机设计中的应用

高速电机中定子铁芯损耗占总损耗比例相对较大,高频运行时定子软磁材料的准确选取限制了整机效率的提升,为此引入材料性能因子作为选材准则。以无取向硅钢材料B20AT1500、极薄硅钢材料10JNEX900和新型非晶合金带材AYFA-Z的性能因子作为判据,得到3种材料的最佳使用频率范围。采用数值计算方法,对比3种材料的电机在空载和负载下的性能。结果表明:根据软磁材料性能因子,可以准确、快速判定出工作频率范围内的最优软磁材料。最后,通过搭建高速电机实验平台,完成120 000 r/min的超高速电动机的参数测试和性能测试,进一步验证了根据材料性能因子作为铁芯材料优选判据的可行性。

超强型齿层永磁混合式步进电机结构原理及性能分析

结合定子永磁混合式步进电机和超强型混合式步进电机结构及性能优点,提出一种仅在定转子齿层放置永磁磁条的超强型齿层永磁混合式步进电机,具有定转子结构简单、转矩和功率密度高、电磁场二维分布、设计分析计算方便等特点。针对电机结构特征、运行原理及转矩提升机制进行理论分析。基于归一化分析方法和二维有限元计算,探究齿高、齿宽、齿距、气隙等齿层参数变化对空载反电势、定位转矩、输出转矩、转矩脉动、保持转矩等电机性能的影响规律,提出该类电机齿层参数优化设计准则。将同规格定子轭部永磁混合式步进电机、定子齿层永磁混合式步进电机与所提出的超强型齿层永磁混合式步进电机进行性能比较研究,验证了理论分析的正确性及新型电机结构性能的优越性。

离散均匀分布随机SVPWM中伪随机数序列的表征与选择

采用随机的脉宽调制策略存在随机因子与输出电压功率谱之间关系不明确的问题。通过对随机位置SVPWM和随机周期SVPWM选用的伪随机数序列所服从的概率分布进行分析,利用随机过程理论建立该序列中概率参数和频域上谐波分布的联系。同时,推导服从离散均匀分布的伪随机数序列的功率谱数学表达,揭示功率谱与伪随机数序列之间的内在联系。提出应用梅森旋转算法来构造伪随机数生成器,改善传统线性反馈移位寄存器循环周期短、随机性差等缺陷。通过仿真和实验对比不同伪随机数生成器对功率谱中开关频率及其倍数处离散谐波能量的分散效果。结果验证所提出的方法和理论分析的正确性,为研究随机SVPWM对改善功率变换器中噪声和振动问题提供了参考。

改进型高速永磁同步电机偏差解耦控制

针对高速永磁同步电机载波比低、数字控制延时较大所引起的电流环解耦效果差问题,在传统偏差解耦控制的基础上提出一种改进型偏差解耦控制策略。首先,该策略对电流环的控制时序进行分析,研究数字控制延时产生的角度延迟的影响;其次,在考虑延时效应导致的轴间附加耦合项与电机自身耦合项的基础上,依据传统偏差解耦控制的原理,建立含耦合项的电流控制方程,推导出新的解耦项,并将其作为系统补偿量来抵消耦合项的相互影响。通过搭建三相高速永磁同步电机仿真模型对所提控制策略进行验证,与传统偏差解耦控制相比,在负载突变工况下,q轴电流波动降幅为54.6%~62.5%,d轴电流波动降幅为43.9%~60.3%,三相电流波形明显改善,提高了系统的控制性能。

离散随机SVPWM中概率密度函数的表征与选择

针对连续随机空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation, SVPWM)技术在永磁同步电机驱动系统中对高度集中的PWM谐波能量分散效果不理想问题,提出一种基于Beta分布的离散混合双随机SVPWM技术。首先,基于调制理论分析传统SVPWM技术的开关函数与电压PWM谐波之间的内在联系,并根据开关函数中调制参数的组合形式不同对随机SVPWM技术进行分类。然后,从预定义的离散序列中随机选择开关频率因子和脉冲位置因子以实现开关函数中开关频率和脉冲位置的离散随机化,同时基于Beta分布和均匀分布对离散随机序列进行优化,以改善离散随机SVPWM技术的PWM谐波抑制效果,使得频域中的谐波能量分散到更多频率分量处。通过实验平台测试,结果显示基于Beta分布的离散双随机调制技术相较于传统随机脉宽调制技术谐波峰值降低了53%,表明引入Beta分布的离散混合双随机SVPWM技术具有更优的谐波散射效果,同时还具有与传统SVPWM技术相当的驱动效率。

新型两自由度定子永磁球形混合式步进电机结构及性能分析

多自由度电机有望广泛应用于机器人和机器手等多运动自由度系统中。当前虽然有多种样机原型,但大多数都在实验室研究测试阶段,且电机机械机构、控制系统复杂,生产制造难度高,体积较大的同时材料利用率低。为了推进电机产品化进程和实际应用,提出一种新型定子永磁球形两自由度混合式步进电机。详细介绍电机结构及运行原理;建立电机齿层归一化分析模型,对电机空载和负载性能进行归一化分析,所得结论对于该类电机分析具有通用性;最后,设计一台整体外径为50 mm的新型定子永磁球形两自由度混合式步进电机样机,通过有限元仿真、与同规格转子永磁型两自由度混合式步进电机性能比较,验证了该新型电机性能的优越性,以及齿层归一化分析方法的可行性。

无槽无刷直流电机不同绕组拓扑的分析与比较

无槽无刷直流永磁电机具有体积小和高功率密度等显著优势,被广泛应用于小型制导武器的舵控系统中。但无槽无刷直流电机的机械特性偏软,限制在武器装备中的应用范围。传统的无槽无刷直流电机绕组形式有斜形、菱形和矩形,为提高制导武器的性能,基于菱形和矩形绕组结构提出一种无槽无刷直流电机新型六角形绕组结构,建立了六角形绕组的理想转矩、反电势和转速数学模型,推导了六角形绕组无槽无刷直流电机的机械特性。采用数值分析方法进行仿真验证分析,仿真结果表明,所提六角形绕组模型具有较高的准确性,同时与传统菱形绕组进行对比,得出了六角形绕组电机机械特性更优异的结论。

工程机械用开关磁阻电机绕组电感计算与分析

在工程机械用开关磁阻电机设计中,电感作为衡量电机性能的基本参数,起到了尤为重要的作用。开关磁阻电机电感呈非线性,直接解析较为困难,故在线性假设条件下,采用磁路分析方法首先对磁导分量进行解析,推导出最小电感位置与最大电感位置处的磁导分量计算式,由此得到最小电感和最大电感计算公式;然后,推导出12/8极平行齿结构开关磁阻电机关于电感的6个转子特殊位置角的计算公式,得到电感解析曲线;最后,将电机计算结果与仿真结果进行比较。结果表明:电感计算结果与仿真结果误差在4%以内,磁链相对误差在10%以内,验证了该解析的准确性,为后续电机优化提供了理论基础。

航空高速湿转子发电机油摩损耗相关因素分析

航空高速湿转子发电机油摩损耗比重较大,油摩损耗相关因素分析对整机效率优化极为重要。以一台额定转速为30000 r/min的航空高速湿转子发电机为例,利用计算流体动力学的方法对定转子气隙内三维流场进行研究,通过数值计算与解析计算横向对比,验证了数值计算的正确性;同时,以数值计算为基础,分析转子速度、航空煤油工作温度、定转子气隙长度、定子槽口尺寸、转子外圆粗糙高度和定转子偏心度等运行、结构和工艺因素对转子油摩损耗的影响。得到结论如下:修正了转子油摩损耗与转速的幂指函数关系,修正后指数为2.8335;流体介质工作温度的增大有利于降低转子油摩损耗;定转子气隙长度对转子油摩损耗影响较小,其数值的选取应当优先满足磁路计算的需要;槽口绝缘封闭处理、减少槽口宽度会降低转子油摩损耗;转子外圆粗糙度、定转子偏心度的存在都会导致转子油摩损耗增加。

定子永磁型混合式步进电机结构及性能分析

定子永磁型混合式步进电机是一种新型结构的混合式步进电机,相比传统转子永磁型混合式步进电机具有一系列结构及性能优点。为分析电机结构对电磁性能的影响,提出3种电机拓扑结构并建立了解析模型,计算对比不同拓扑结构电机的电磁特性,包括电感特性、磁链特性、反电动势特性和转矩特性。推导磁阻转矩、齿槽转矩和脉动转矩的解析表达式,分析负载变化及定子永磁磁路不对称对转矩脉动的影响。采用有限元法对解析模型进行验证,结果表明,所建立的解析模型能够体现结构参数和电机性能之间的关系,计算速度快且通用性强,特别适合于该类电机的初始设计分析和性能比较研究。

定子永磁和转子永磁混合式步进电机性能比较研究

定子永磁型混合式步进电机(stator-permanent-magnet hybrid stepping motor,SHSM)是一种新型结构的混合式步进电机,其运行原理与普通转子永磁型混合式步进电机相同,但转子结构更为简单、转子机械强度更高、转矩及功率密度更大、永磁体散热更容易、设计分析计算更为方便。为合理评估两种结构混合式步进电机性能,该文从永磁气隙磁密、最佳铁心迭长、永磁转矩、定位转矩及转矩脉动、永磁磁链及空载反电动势、永磁体漏磁及利用率、定子轭部磁通密度等方面对两种电机进行综合分析比较。试制一台功率为240W的2相8极50齿SHSM样机,通过实验验证其工作原理的实际可行性。基于SHSM样机参数,构建两种电机的有限元仿真模型并进行有限元分析比较。有限元和实验结果验证了理论分析的正确性,为新型SHSM的进一步推广应用奠定一定理论基础。

步进电机新型场路结合分析方法——齿层计算转矩法

齿层比磁导法是目前步进电机电磁转矩的主要计算方法,提出了一种新型电磁转矩分析计算方法—齿层计算转矩法。首先给出步进电机齿层计算转矩的概念,同时在理论上证明了采用齿层计算转矩法计算步进电机电磁转矩的正确性,然后给出了齿层计算转矩法用于步进电机电磁转矩及其他性能分析计算的步骤,最后针对磁阻式步进电机和混合式步进电机,分别采用齿层比磁导法、齿层计算转矩法和电磁场有限元法进行对比研究。结果表明,齿层计算转矩法与现在通用的齿层比磁导法相比具有简单实用、计算精度高的特点。

定子永磁型步进电动机结构原理及分析计算

为提高混合式步进电动机(HSM)的运行性能,彻底消除其转子放置永磁体的结构弊端,提出了一种定子上放置永磁体的新型步进电动机(SPMSM),其工作原理与HSM完全相同,但结构更为简单,转矩/功率密度及效率更高。对SPMSM的运行原理及所采用的关键技术进行了分析,并与DSPM电动机进行了比较。同时,基于步进电动机归一化设计思想,并结合SPMSM磁场呈二维分布的特点(忽略电动机端部效应),提出了适用于SPMSM的归一化分析计算方法,并对其磁链、电动势、转矩及功率进行了计算。试制了一台2相8极50齿SPMSM样机,通过实验验证了其工作原理的实际可行性。有限元仿真与实验结果表明,所采用的理论分析方法及所建立的功率方程能较好地反映SPMSM的实际特性,且具有较强的适用性,为该类步进电动机的设计和分析提供了参考。

基于定子永磁拓扑的混合式步进电机二维等效模型构建方法

齿层比磁导法和三维有限元法是目前分析混合式步进电机的主要方法。然而,齿层比磁导法难以考虑铁心叠片间绝缘层磁阻对永磁磁场轴向非均匀分布的影响、计算精度较差,三维有限元法计算过程复杂、耗时较长,为此提出一种基于定子永磁拓扑的二维等效模型构建方法及其二维有限元分析。该方法通过电机结构等效变换和轴向分段将混合式步进电机转子永磁三维模型等效变换为定子永磁二维模型,并采用对三维模型、二维模型分别进行一次空载有限元静态仿真的方法确定二维等效模型参数,能够考虑永磁磁场轴向非均匀分布的特性,具有模型建立简便、计算精度高、耗时少的优点。通过三维有限元仿真验证了该方法的可行性和准确性。

基于电流环优化的双三相永磁同步电机双二阶模型预测控制

为解决传统模型预测电流控制(MPC)迭代计算次数多的问题,提高双三相永磁同步电机电压矢量合成中方向和幅值两自由度的灵活性,减少输出转矩脉动和电流脉动,提出一种基于电流环优化的双二阶模型预测控制算法。相比常规速度环采用PI和电流环采用传统MPC的控制算法,该算法速度环采用了二阶MPC控制方式,减少了速度调节时间,增加了电机抗扰性;电流环采用了二阶MPC控制方式,并将传统迭代计算方法改进为通过解析函数一次算出应输出电压矢量的方向和幅值,并增加了输出电压矢量的灵活性。运用四矢量SVPWM对电压矢量进行调制,以便减少谐波子空间的电流幅值。仿真结果表明该算法显著减少了转矩脉动和电流脉动,增加了电机的暂态性能。

仿生眼球用四自由度步进电机驱动控制系统研究

仿生眼需要4个自由度的步进电机驱动,这一驱动控制系统的基本要求有二:体积小、系统运行平稳。本文对这一系统进行了研究开发,首先为保证系统运行的平稳性,对步进电机的恒频脉宽调制型微步驱动控制方法进行了研究与实施,其次采用Atmega16单片机作为主控制器,采用Drv8834为驱动芯片,实现了较小体积的驱动控制系统,最后进行了系统软硬件设计及样机制作,实验结果表明,所研究开发的驱动控制系统能够满足仿生眼用4自由度步进电机驱动控制的性能要求和结构要求。

新型球形结构两自由度混合式步进电机二维等效模型分析方法

在智能系统发展时代机器人使用率在逐步提高,其中多自由度电动机在机器人的构成中占有较为重要的地位。多自由度电机发展历史较长,但大部分仍处于实验研究阶段。因此,为进一步简化电机结构、降低电磁耦合影响、提升电机运行稳定性等,本文依据非球形正交圆柱结构两自由度步进电动机运行原理,提出一种新型球形结构两自由度混合式步进电动机。首先,对该电机结构及运行原理进行介绍;其次,讲述削弱子电机间的耦合磁场方法,为缩短电机的分析计算时间及提高计算精度,提出二维等效电机模型分析方法;最后,三维电机模型与二维等效电机模型进行有限元仿真计算结果比较,并试制一台外径116mm实验样机实验验证了二维等效模型的可行性及准确性。

开关磁阻电动机小样本磁链特性精确建模方法

采用转矩平衡位置测量方法能够在无锁紧装置的情形下快速获取m相开关磁阻电动机(Switched reluctance motor,SRM)m+1个特殊位置的小样本磁链特性。针对小样本磁链特性数据不充分导致SRM难以精确建模的问题,提出一种基于模糊逻辑系统的SRM精确建模方法。该方法主要分为三步,首先根据SRM极对数与磁链随转子位置变化趋势等电动机固有先验知识,进行模糊空间划分;其次利用模糊逻辑系统从磁链样本数据中自动提取模糊规则,形成模糊规则库;最后采用重心法解模糊,重构SRM全周期磁链特性,完成小样本磁链特性下的SRM精确建模。不同于传统建模方法需要测量整个位置周期磁链特性数据,所提出方法仅需要m+1个特殊位置磁链特性即可实现SRM磁链精确建模,极大地提高了建模效率。仿真和试验结果验证了所提出方法的有效性。

抽油机用盘式开关磁阻电机的电磁优化设计

为了避免游梁式抽油机胶带传动系统带来的问题,电机主轴需要采用直接与减速机相连的半直驱方式,而这种方式的优劣取决于核心部件盘式开关磁阻电机性能的好坏。鉴于此,通过理论分析了径向磁通和轴向磁通盘式开关磁阻电机的轴向长度、外直径、直径比及纵横比等参数对转矩性能的影响,从而获得最佳的电磁结构。运用解析法计算了两种结构电机的磁化曲线,重点突出了轴向磁通开关磁阻电机的磁化曲线计算,并在准三维解析法的基础上,将直线开关磁阻电机的气隙磁导求解方法应用到该计算中。通过三维有限元数值分析法进行了电机结构优化并确定了样机参数。通过搭建样机试验平台验证了理论分析的正确性及可行性。装机试验结果表明,相较于三相异步电机和交流永磁伺服电机,样机的有功节电率分别达到27.4%和7.9%。盘式开关磁阻电机能够匹配抽油机的工作特性而达到生产节能的效果。